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2022년 12월 18일 (일) 19:41 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 비열 플라즈마를 이용한 폐플라스틱 열분해 촉매 재생

영문 : Regeneration of waste plastic pyrolysis catalyst using specific heat plasma

과제 팀명

포오네

지도교수

김의용 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2019340010 김시현(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2016340038 이태영

서울시립대학교 화학공학과 2017340003 강평호

서울시립대학교 화학공학과 2017340014 문재윤

서울시립대학교 화학공학과 2019340031 양영혁 `

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 고온 열분해, 촉매 열분해, 비열 플라즈마 촉매 열분해의 특성 파악

◇ 비열 플라즈마를 이용한 촉매 재생 시 메커니즘과 가스 수율 변화 파악

◇ 플라즈마 처리 유/무에 따른 촉매 비활성화 비교

◇ 플라즈마 처리 기반 촉매 재생의 진행된 연구를 리뷰해 플라즈마 재생의 효용적 측면을 보여준다.

◇ 플라즈마 처리를 통해 Tar 감소와 가스 수율 증가 파악

개발 과제의 배경

◇ 플라스틱은 비교적 값싸면서 견고하면서도 성형이 자유로운 특성을 가지고 있어 다양한 산업과 일상생활에 필수적인 소재로 사용되고 있으며, 생산량과 소비량은 점차 증가하고 있다. 플라스틱 폐기물들이 토양과 바다에 버려지는 것은 플라스틱의 비 생분해적 특성에 의해 폐플라스틱 처분방법에 대한 문제를 야기한다. 매립, 소각, 재활용 등의 방법 중 매립의 경우는 매립 가능 부지의 감소로 인한 경제성 저하와 토양 오염의 문제를 야기하고 소각 또한 NOx, SOx, 다이옥신 등의 대기 오염물질을 배출하는 문제를 안고 있다. 따라서 환경친화적으로 플라스틱을 처분하기 위해서는 재활용을 통한 처분을 늘리는 것이 가장 바람직하다.

◇ 폐플라스틱 재활용은 기계적 재활용과 화학적 재활용으로 나뉜다. 기계적 재활용은 폐플라스틱을 비교적 낮은 온도에서 용융시켜 새로운 형태의 입자를 만들어 이를 가공하여 플라스틱 재생원료를 만들어 내는 것이다. 그러나 이러한 과정을 반복하면 생성물의 물리적 성질이 저하되어 결국 몇 차례 재활용을 거친 플라스틱은 최종적으로 매립 또는 소각 처리를 해야 한다. 반면 화학적 재활용은 폐플라스틱을 모노머나 탄화수소류의 석유 성분으로 전환시켜 재사용하는 방법으로, 환경적 측면과 에너지 보존적 측면에서 매우 우수한 방법이라 할 수 있다.

◇ 폐플라스틱 열분해 과정 중 촉매를 사용하면 수율 증가 및 필요 에너지 절감의 효과를 볼 수 있다. 하지만 코크스 형성으로 인한 촉매의 기공 막힘, 높은 온도로 인한 촉매 구조 파괴 등의 이유로 촉매의 비활성화가 나타날 수 있다.

◇ 비열플라즈마(NTP)를 이용하여 활성종의 생성을 촉진해 촉매의 비활성화 문제를 해결할 수 있다. 또한 공정의 에너지 효율을 높이고 가스 흐름을 저해하는 타르 생성을 억제하는 시너지 효과를 낼 것으로 기대된다.

그림 1. NTP를 이용한 촉매 재생 Cycle

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 폐플라스틱 열분해 시 촉매 성능에 문제를 일으키는 요소 파악

◇ 열분해 시 촉매 비활성화 원인 파악과 플라즈마를 활용한 개선

◇ 열분해와 플라즈마 분해 시 촉매 성능이 감소하는 시간, 공정 cycle 별 수율, 가스 수율 비교, 파악

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 기존 열 평형 시스템은 저온에서 불가능하지만, 열-플라즈마를 활용하여 낮은 에너지 장벽을 가진 대체 반응 경로를 제공함으로써 최적의 경제적인 조건에서 화학 반응 공정을 설계하는 연구가 진행되고 있다.

◇ 플라즈마 촉매, 플라즈마 보조 촉매, 플라즈마 구동 촉매, 플라즈마 촉매 결합 등 플라즈마와 촉매 특성을 가진 재료의 이질적인 조합에 따른 다양한 Plasma-catalysis가 연구되고 있다.

◇ 그러나 플라즈마 촉매의 유용성은 플라즈마 생성이 전기 에너지를 사용하는 것을 포함하기 때문에 경제성에 있어서 논란이 있어왔다. 그러나 전체 촉매 수명 즉 촉매준비, 반응 제어 외에도 촉매 재생 단계를 포함하도록 더 넓은 범위로 플라즈마 촉매를 적용한다면 이점을 더 찾을 수 있다. 저온 활성화와 가스상 라디칼 기반 방을을 포함하고 기존의 고온 재생 중에 촉매 소결을 피할 수 있는 실행 가능한 방법이라는 점에 기인하여 플라즈마 촉매 재생이 연구되고 있다.

◇ 결과적으로, 촉매 재생단계에 초점을 맞추어 플라즈마 재생의 효율성과 매커니즘 측면에서 플라즈마 촉매 재생을 기존의 열 재생과 비교하는 연구가 진행되고 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 타르 또는 불순물 제거장치 및 이를 이용한 촉매 재생 방법

  한국 특허
  출원 번호 : 10-2009-0109527
  출원 날짜 : 2009년11월13일
  출원인 : 한국기계연구원

요약

본 발명의 일 실시예는 타르 또는 불순물을 개질 및 제거하는 과정에서 피독 또는 활성 저하된 개질 촉매를 플라즈마로 재생하는 타르 또는 불순물 제거장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 또는 불순물 제거장치는, 폐기물을 가스화 및 용융시켜 1차 합성가스로 변환시키는 가스화기, 상기 가스화기에 연결되어 상기 1차 합성가스를 진행시키는 제1 연결통로, 상기 제1 연결통로에 설치되는 선택밸브, 상기 선택밸브에서 분지되어 상기 제1 연결통로에 선택적으로 연결되는 제2 연결통로와 제3 연결통로, 상기 제2 연결통로 및 상기 제2 연결통로 상에 각각 설치되어 상기 1차 합성가스를 2차 합성가스로 변환시키는 제1 개질 촉매와 제2 개질 촉매, 상기 제1 개질 촉매가 촉매 작용할 때, 상기 제2 개질 촉매를 재생하도록 상기 제2 개질 촉매에 설치되는 제1 플라즈마 반응기, 및 상기 제2 개질 촉매가 촉매 작용할 때, 상기 제1 개질 촉매를 재생하도록 상기 제1 개질 촉매에 설치되는 제2 플라즈마 반응기를 포함한다.

◇ 플라즈마 탄화수소 첨가 선택적 촉매환원 시스템 및 플라즈마 개질기

  한국 특허
  출원 번호 : 10-2009-0012030
  출원 날짜 : 2009년02월13일
  출원인 : 한국기계연구원

요약

본 발명의 일 실시예는 HHC(heavy Hydrocabon)인 연료를 개질하여 LHC(Light Hydrocarbon), 수소, 알데히드류 및/또는 알코올류가 포함된 환원가스를 생성하여 HC SCR 촉매에 공급하는 플라즈마 HC SCR 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 HC SCR 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출하는배기관, 상기 배기가스에포함된 질소산화물을 환원하도록 촉매를 내장하여 상기 배기관에 설치되는 HC SCR, 연료 및 반응공기를 유입하여 플라즈마 반응시켜 상기 연료를 개질함으로써 LHC(light hydrocarbon), 수소, 알데히드류 및 알코올류 중 적어도 하나가 포함된 환원가스를 발생시키는 플라즈마 개질기, 및 상기 환원가스를 공급하여 상기 촉매에서 상기 질소 산화물을 환원시키도록 상기 배기관에 설치되어 상기 플라즈마 개질기에 연결되는 환원가스 공급장치를 포함한다.

[[파일:P1111.png]

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존 촉매 재생 시 발열반응으로 인해 온도 control이 어려운 단점을 극복

◇ 플라즈마를 이용한 효율적인 재생으로 촉매 수명 증가

◇ 촉매 열분해와 비교 시 수율 증가

◇ 높은 제품 선택성

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

이론적 계산

메테인과 steam의 분해 반응에서 반응 속도 r=k*[CH4]^α*[H2O]^β로 나타낼 수 있고, 온도와 steam의 농도를 일정하게 두면 ln(r)=α*ln([CH4])+C 의 관계를 가진다.

설계사양

설계 사양

반응기 사진

열역학적 분석

Reaction rate

메테인과 steam의 분해 반응에서 반응 속도 r=k*[CH4]^α*[H2O]^β로 나타낼 수 있고, 온도와 steam의 농도를 일정하게 두면 ln(r)=α*ln([CH4])+C의 관계를 가진다. 마찬가지로 온도와 메테인의 농도를 일정하게 두면 ln(r)=β*ln([H2O])+C'의 관계를 가진다. 이 두 상황을 그래프로 나타내면 다음과 같다.

Activation energey & Value of A

설계 결과

내용

촉매 성능

ppt 15

촉매 내구도

ppt 16

촉매 재생

Oxidation

ppt 17

Poisoned

ppt 18

Tar 저감

ppt 19

Gas 수율 향상

ppt 20

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 평가

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

내용

향후계획및 개발과제

플라즈마 촉매를 완전히 활용하기 위한 주요 과제는 촉매에 대한 플라즈마의 영향을 명확하게 설명하는 것이다. 플라즈마 촉매 변환 메커니즘에 대한 연구는 흡착 에너지, 반응 속도, 회전 빈도, 벽에서의 라디칼 재결합 확률, 진동 탈여기 확률, 수용 계수 등과 같은 기본 데이터가 상당히 부족하여 추가 연구가 필요한 실정이다.

오랜 시간 동안 연구자들은 열분해 과정에서 생성되는 타르와 촉매 비활성화를 막기 위해 노력해왔다. 플라즈마 기술을 적용하면 촉매의 성능을 크게 향상시킬 수 있지만, 산업 규모의 촉매 재생에 플라즈마를 적용하려면 동역학에 대한 보다 심층적인 연구가 필요하다. 플라즈마 기술을 위해 다음과 같은 발전이 이루어져야 한다. 1) 열분해 공정에서 플라즈마 개질 촉매 적용 2) 플라즈마 원자로의 에너지 소비를 줄이고 가스와 고체 탄소의 생산 같은 플라즈마 기술의 대규모 적용 실현 3) 플라즈마 개질 메커니즘 및 발전을 위한 반응기의 합리적인 설계